Induktion

Physikalisches

Schulversuchspraktikum

Induktion

(AHS 7. Klasse)

Lernziele

• Zusammenhang zwischen Induktionsspannung und Windungszahl erkennen
• Richtung und Auswirkung des Induktionsstromes
• Was ist Selbstinduktion
• Der unbelastete Transformator (Zusammenhänge zwischen Windungszahl und Spannung erkennen)
• Gefahren beim Umgang mit Strom
• Erste Hilfe Maßnahmen bei Stromunfällen

Voraussetzung

• Einfache Stromkreise und Gesetze (z.B. Ohmsches Gesetz)
• Bewegte Ladungen im Magnetfeld

Induktionsspannung und Windungszahl

Ein Permanentmagnet wird bezüglich einer Spule, die an ein Amperemeter angeschlossen ist, so bewegt, dass die magnetischen Feldlinien die Windungsfläche der Spule senkrecht schneiden. Man ermittelt die Stärke des auf Grund der induzierten Spannung fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Windungsanzahl der Spule. Dabei ist bei der Bewegung des Magnetes der angezeigte Stromstoß ein Maß für die Größe des induzierten Spannungsstoßes.

Es ist darauf zu achten, dass der Magnet in alle drei Spulen mit gleich großer Geschwindigkeit eingeführt wird, bzw. sollte man zuerst anmerken, dass der induzierte Spannungsstoss nicht nur von der Windungsanzahl der Spule sondern auch von der Geschwindigkeit mit der man den Magneten in die Spule einführt, abhängt.

Man kann beobachten, dass die Stromstärke, die ein Maß für die infolge der Magnetfeldänderung entstehende Induktionsspannung ist, mit der Windungsanzahl der Spule proportional zunimmt.

Bei diesem Versuch ist es einfach, Schüler selbst miteinzubeziehen, und einigen (ca. 5) zu erlauben selbst die Magneten in den Spulen bewegen.

Thomsonscher Ringversuch

Beim Einschalten des Stromes wird der Ring emporgeschleudert. Wird dies verhindert, indem man die flache Hand auf die Endfläche des aufgesetzten Joches legt, so schwebt der Ring etwa in der Mitte des aufgesetzten Joches. Versucht man den schwebenden Ring festzuhalten, so bemerkt man, dass dieser unerträglich heiß wird, ein Zeichen für die Stärke des in ihm induzierten Stromes.

Die für den Versuch verwendete Anordnung ist ein Transformator mit der Primärspule 500 Windungen und einer Sekundärspule von nur 1 Windung. Da diese Windung in sich kurzgeschlossen ist und daher einen sehr kleinen Widerstand hat, entsteht in ihr ein sehr starker Strom, der nach der Lenzschen Regel dem Primärstrom entgegengerichtet ist. Die magnetischen Felder der beiden Ströme stoßen sich also ab.

Da bei diesem Versuch der Eisenkreis nicht geschlossen ist, nimmt die Spule einen weit größeren Strom auf, als für den Dauerbetrieb zulässig ist. Man muss also bei diesen Versuchen für ausreichende Sicherungen (10 A) sorgen und darf die Versuche zeitlich nicht zu lang ausdehnen.

Selbstinduktion

Eine Glimmlampe (in der Schaltung Glühlampe) ist parallel zu einer Spule auf geschlossenem Eisenkern geschaltet, die über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

Die parallel zur Spule geschaltete Glimmlampe leuchtet bei geschlossenem Stromkreis (in meinem Fall 20V) nicht auf, da Glimmlampen eine Zündspannung von etwa 60 V aufweisen. Bei Unterbrechung des Spulenstroms leuchtet die Glimmlampe kurzzeitig hell auf. Bedingt durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes der Spule wird in dieser eine  Spannung induziert, die wesentlich höher ist, als die Spannung der der Gleichstromquelle mit der das Magnetfeld aufgebaut wurde. Man spricht auch von einem Spannungsstoß, der durch das blitzartige Zusammenbrechen des Magnetfeldes verursacht wird. Die elektrische Energie, die durch Selbstinduktion im Augenblick der Stromunterbrechung entsteht, reicht zum kurzzeitigen Betrieb der Glühlampe aus.

Dieser physikalische Effekt kann auch dazu verwendet werden einen doch ziemlich einprägsamen Versuch mit einer Gruppe von Schülern zu machen. Man schließt einen, an einem geschlossenen Eisenkern montierten Elektromagnet an eine niedrige Gleichspannung an, und gibt jedem der zwei Schüler die sich am Rand der Handreihe befinden jeweils einen Pol (Metallgriff) in die Hand, der zu der Spule parallel geschaltet wird. Dann schließt man den Stromkreis und wartet wenige Sekunden bis sich das Magnetfeld im Eisenkern aufgebaut hat. Wenn man dann Ruckartig den Stromkreis zwischen der Batterie und der Spule trennt, kollabiert das Magnetfeld derart schnell, dass alle Schüler in der Reihe (die sich die Hand gegeben haben) einen elektrischen Schlag verspüren.

Transformator (unbelastet)

Man bestimmt bei konstanter Primärspannung U₁ sowie bei konstanter Windungsanzahl n₁ der Primärspule eines Transformators die Sekundärspannung U₂ in Abhängigkeit von der Windungszahl n₂ der Sekundärspule.

Aufgrund der gemeinsam ermittelten Messdaten können die Schüler die bestehende Gesetzmäßigkeit (Transformatorgleichung für Spannungsübersetzung) ermitteln.

	U1 Spannung an der Primärspule U2 Spannung an der Sekundärspule n1 Windungszahl der Primärspule n2 Windungszahl der Sekundärspule

                                

	Beim unbelasteten Transformator verhalten sich die Spannungsbeträge so wie die Windungszahlen.

Gefahren beim Umgang mit Strom

Im Alltag begegnen wir Gleichstrom beispielsweise bei der elektrischen Modelleisenbahn oder in den Zuleitungen von Halogenlampen. Wegen der geringen Spannung und wegen der geringen Stromstärke besteht keine Gefahr bei Berührung. Die Leitungen sind deshalb häufig nicht isoliert.

Das Verbrauchernetz in Wohnungen und Industriegebäuden ist ein Wechselstromnetz mit der Wechselspannung U=230 V bzw. U=400 V. Diese Spannungen sind lebensgefährlich! Hantiere daher nie mit offenen elektrischen Geräten oder ungeschützten elektrischen Anlagen.

In Österreich werden jährlich etwa 300 Stromunfälle gemeldet, davon verlaufen rund 30 Unfälle tödlich. Ein Drittel der Unfälle entfällt auf das Berühren von Hochspannungsleitungen (Arbeiten auf Waggondächern im Bereich der Oberleitung in Bahnanlagen, unachtsames tragen von Metallleitern in der Nähe von Hochspannungsleitungen, Hebekräne von LKW aber auch beim Drachensteigen in der Nähe von Hochspannungsleitungen). Im Haushalt geschehen die meisten tödlichen Stromunfälle im Badezimmer: ein elektrisches Gerät (Heizlüfter, Radio, Haarfön, Stehlampe, etc.) fällt ins Wasser und setzt den Badenden der Spannung aus.

Verhalten bei Stromunfällen

Möglichst schnell die Stromversorgung abschalten (durch Knopfdruck am FI-Schalter, ansonsten Unterbrechung an den Sicherungen bzw. Netzstecker aus der Steckdose ziehen wenn möglich.

Den Verunglückten aus der Gefahrenzone ERST bergen wenn der Stromkreis unterbrochen wurde. Vorher besteht ebenfalls akute Lebensgefahr!!!

Notfallcheck (wie aus dem Erste Hilfe Kurs bekannt sein sollte):

a)      Bewusstsein kontrollieren durch: ansprechen, berühren, Schmerzreiz zufügen (kneifen am Handrücken)

b)      Atmung kontrollieren durch: sehen, hören, fühlen

c)      Kreislauf kontrollieren durch: tasten (min. 15 sek. pro Seite) an jeder der beiden Halsschlagadern

Maßnahmen:

a)      Bei Bewusstlosigkeit: stabile Seitenlage

b)      Bei Atemstillstand: Beatmen

c)      Bei Kreislaufstillstand: Reanimation (Beatmen & Herzmassage)

Rettung verständigen

Es ist unverantwortlich, dass noch immer Schulbücher, wie z.B. Schreiner, "Physik 3" Verlag: öbv&hpt, 1. Auflage, Nachdruck 2000, die FALSCHEN "Erste Hilfe" Maßnahmen empfehlen.

Zitat: "Bei Bewusstlosigkeit sofort künstliche Beatmung durchführen; [.]". Dies kann im Extremfall bis hin zum verschuldeten Ableben des Opfers führen.

A N H A N G

Induktion, in der Elektrizität die Erzeugung von elektrischem Strom in einem Leiter, der über ein magnetisches Feld bewegt wird (daher lautet die vollständige Bezeichnung eigentlich elektromagnetische Induktion). Der Effekt wurde von dem britischen Physiker Michael Faraday entdeckt und führte zur Entwicklung des elektrischen Rotationsgenerators, der mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt.

Wenn ein Leiter, z. B. ein Draht, sich zwischen den beiden Polen eines Magneten hindurchbewegt, so entsteht in dem Draht eine Potentialdifferenz, also eine Spannung. Man sagt, dass ein bewegtes (zeitlich verändertes) magnetisches Feld ein elektrisches Feld induziert (erzeugt). Dieses Phänomen ist auch in umgekehrter Weise möglich. Das Magnetfeld und das elektrische Feld stehen senkrecht aufeinander. Wenn der Draht durch einen Leiter mit einem Stromkreis verbunden wird, fließt durch dieses System Strom. Nach diesem Prinzip funktioniert ein Dynamo, in dem eine Drahtschleife in einem magnetischen Feld rotiert (Siehe Elektromotoren und Generatoren).

Induktion tritt nur dann auf, wenn der Draht senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes bewegt wird. Diese Bewegung ist notwendig, um die Induktion hervorzurufen. So kann auch ein sich ausdehnendes oder sich zusammenziehendes Magnetfeld einen Strom in einem feststehenden Draht erzeugen. Ein solches wechselndes Magnetfeld kann mit einer Stromwelle durch einen Draht oder einen Elektromagneten produziert werden. In dem Maße, in dem der Strom in dem Elektromagneten ansteigt oder abfällt, wächst bzw. schrumpft sein Magnetfeld (die Feldlinien bewegen sich nach außen, dann nach innen). Das wechselnde Feld kann einen Strom in einem benachbarten unbeweglichen Draht induzieren. Diese Induktion ohne eine mechanische Bewegung bildet die Grundlage des elektrischen Transformators.

Ein Transformator besteht normalerweise aus zwei benachbarten Drahtspulen, die um einen einzigen Kern aus magnetischem Material gewickelt sind. Der Transformator wird zur Kopplung von zwei oder mehreren Wechselstromkreisen verwendet, indem eine Induktion zwischen den Spulen stattfindet. Siehe Stromversorgungsnetze.

Wenn sich der Strom in einem Leiter verändert, induziert das dadurch erzeugte wechselnde Magnetfeld eine Spannung in ihm. Diese selbstinduzierte Spannung ist der angelegten Spannung entgegengesetzt und verursacht eine Begrenzung oder Verminderung des ursprünglichen Stromes. Elektrische Selbstinduktion wirkt sich also ähnlich wie die mechanische Trägheit aus. Eine Induktionsspule (Drosselspule) gleicht so einen veränderlichen Strom aus wie ein Schwungrad die Rotation eines Motors. Der Betrag der Selbstinduktion einer Spule, ihre Induktivität, wird mit der elektrischen Einheit Henry gemessen, die nach dem amerikanischen Physiker Joseph Henry benannt wurde, der den Effekt entdeckte. Die Induktivität ist unabhängig von Strom und Spannung. Sie wird allein von der Geometrie der Spule und den magnetischen Eigenschaften ihres Kernes bestimmt.

Transformator, elektronisches Gerät, das mindestens zwei elektrisch getrennte Drahtspulen enthält, die im Prinzip magnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Übertragung der elektrischen Energie von der ersten Spule (Primärspule) auf die zweite Spule (Sekundärspule) erfolgt durch Induktion (siehe Elektrizität). Zur Verminderung so genannter Wirbelströme enthalten die Spulen lamellierte Eisenkerne. Grob gesehen entspricht die elektrische Spannung an den Wicklungen der Spulen der Anzahl der Windungen.

Große Anlagen, die in Stromversorgungsnetzen eingesetzt werden und auch als kleine Einheiten in Elektrogeräten eingebaut werden (siehe Elektronik). Industrie- und Wohnanlagen-Netztransformatoren, die mit der Leitungsfrequenz (50 Hertz in Großbritannien und Deutschland) arbeiten, sind entweder ein- oder dreiphasig und für hohe Spannungen und Ströme konstruiert. Leistungsfähige Stromübermittlung erfordert einen Transformator, der die Spannung (mehrere tausend Volt) am Kraftwerk erhöht und die Stromstärke entsprechend erniedrigt. Da die Energieverluste in der Leitung proportional zum Quadrat von Strom mal Leitungswiderstand sind, werden in Überlandleitungen Hochspannungen und geringe Ströme angestrebt, um die Verluste niedrig zu halten. Am Empfangspunkt reduzieren Transformatoren die Spannung und erhöhen die Stromstärke. Die Höhe der elektrischen Spannung in Haushalten und in der Industrie liegt meist zwischen 220 und 240 Volt.

Netztransformatoren müssen effizient arbeiten und dürfen während des Transformationsprozesses möglichst wenig Energie in Form von Wärme abgeben. Ein hoher Wirkungsgrad wird durch spezielle Stahllegierungen zur Kopplung der induzierten Magnetfelder zwischen Primär- und Sekundärwicklungen erreicht. Selbst Verluste von 0,5 Prozent der übertragenen Energie in einem großen Transformator erzeugen enorme Wärmemengen, die spezielle Kühlanlagen erfordern. Typische Netztransformatoren sind in versiegelten Behältern untergebracht und enthalten Öl oder andere Kühlmittel (z. B. Chlorbiphenyle), um die Wärme auf äußere Kühloberflächen zu leiten.